一种土体同步辐射x光旋转三轴实时观测方法及其系统的制作方法
【专利摘要】土体同步辐射X光旋转三轴实时观测方法，通过压力源为三轴仪压力室提供恒定围压并施加在压力室内土体上；三轴仪压力室内土体布置在同步辐射X光源下，三轴仪压力室是通过控制步进电机运转以加大或减少机械加载装置传动比，逐级增大或减少三轴仪压力室的轴向压力、给土体提供恒定围压的不同荷载，三轴仪压力室绕压力室圆筒轴心旋转，同步辐射X光源实时无损地观测土体三维细观结构，获得不同荷载作用下土样内部细观结构的X光断层序列照片。本发明是对土样细观结构无损实时成像的新方法及其系统。
【专利说明】
一种土体同步辐射X光旋转三轴实时观测方法及其系统一、
技术领域
[0001]本发明属于土工试验领域，具体是在一种在同步辐射X光环境中对土样细观结构及宏观物理、力学性质的实时观测方法及其系统。二、【背景技术】
[0002]三轴加载是研究土体工程性质的主要试验方法之一，研究发现，土体宏观的物理、 力学性质都与其细观结构(如孔隙定向性、颗粒定向性等)的定量特征密切相关。现有试验方法难以在三轴加载过程中实时获取土样细观结构，目前只能采用如下方法，即制作一系列土样，对其中某个土样加载到某一荷载级后，持荷后将土样固化，对其表面处理，制作成可供扫描电镜或光学显微镜拍照的样品，再对所获得的数字图像进行定量分析，得到其细观结构特征。该方法存在如下缺陷，首先，土体实际细观结构特征具有空间性，而电镜或光学显微镜照片仅能观察土样某一个特定表面的细观结构特征;其次，由于电镜制样需要破坏样品，因此，必须对多个样品分别进行加载，并分别观察其表面细观结构特征。由于土体离散性的存在，对于不同样品，其细观结构特征可能具有差异，这将影响到土体物理、力学性质与细观结构的相关性表征结果。此外，即使采用压汞法与低温氮吸附法等其它能够间接表征土体空间孔隙结构的观测方法，同样无法在三轴加载过程中观测土体细观结构。因此，有必要发明一种能在三轴试验过程中实时无损地观测土体三维细观结构的试验方法。三、
【发明内容】
[0003]本发明目的是，提供一种在三轴加载过程中实时无损地观测土样细观结构的方法及其系统。
[0004]本发明采用如下技术方案实现:土体同步辐射X光旋转三轴实时观测方法，通过压力源为三轴仪压力室提供恒定围压并施加在压力室内土体上;三轴仪压力室内土体布置在同步辐射X光源下，三轴仪压力室是通过控制步进电机运转以加大或减少机械加载装置传动比，逐级增大或减少三轴仪压力室的轴向压力、给土体提供恒定围压的不同荷载，三轴仪压力室绕压力室圆筒轴心旋转，同步辐射X光源实时无损地观测土体三维细观结构，获得不同荷载作用下土样内部细观结构的X光断层序列照片；
[0005]同时同步测读土体中土样颗粒位移、孔隙压力、孔隙比基本物理、力学参数；
[0006]在恒定围压、三轴仪轴向压力与反压下持荷，控制三轴仪压力室绕压力室圆筒轴心旋转，控制转速不超过12° /sec，且不低于1° /sec，旋转360°后，获得该级荷载下土样内部细观结构的X光断层扫描图像序列。[〇〇〇7]对所得X光断层扫描图像二值化，进行三维重构及数字矩阵运算等操作，精细化分析土样内部三维细观结构。
[0008]将三轴仪压力室样品系统置于同步辐射实验站中，使同步辐射X光对辐照场内三轴仪压力室内的土样，控制系统对试样加载，获得各级荷载作用下土样内部细观结构的断层扫描图像序列，可以进一步结合位移、孔压及孔隙比等宏观参数进行相关性分析，用于土体受力、变形机制。
[0009]三轴仪压力室样品系统布置在同步辐射实验站内，从加速器光源点所发射出的同步辐射X光依次依次通过锯齿墙、Y吸收器、白光狭缝、滤波器组件、白光荧光靶、铍窗、单色器、荧光靶、Y吸收器、单色光狭缝、光子光闸、铍窗、铝片衰减器、斩波器后到达放置在样品台上的三轴仪压力室；同步辐射X光透过布置在三轴仪压力室内的土样后，到达放置在三轴仪压力室后面的面探测器，面探测器为图像控制器(CCD)，将信号传送到计算机成像。
[0010]一种用于实时观测土体细观结构的三轴旋转装置，其特征是包括压力室装置1、检测装置2、加荷与驱动装置3、底座4、旋转驱动装置5及自控系统6;检测装置2包括:围压检测接口和连接自控系统的围压检测传感器;反压接口和连接自控系统的反压检测传感器;孔隙压力接口和连接自控系统的孔隙压力检测传感器;位移传感器和位移传感器测量板装在位移传感器架上，伴随位移传感器板与螺纹减速机丝杠上下移动实现位移量数值测量;压力室装置1的上螺纹孔连接轴力外传力杆及轴压加载帽；轴压驱动装置安装在压力室装置的顶部并通过加载外联接杆对压力室装置内试样进行加载，围压/反压加载是安装在自控系统的ITV0050电气比例阀，通过电气比例阀开合度的控制实现对围压/反压加载压力的目标控制;旋转驱动装置包括安装于底座内的步进电机、电机联轴器、旋转限位开关部件，采用控制步进电机的转速、转向，以实现观测所需的旋转速度，旋转驱动装置5安装在底座4 内，旋转驱动装置5的螺纹减速机的输出丝杠中心线与轴力外传力杆、轴压加载帽、透水石、 试样、试样底座位于同一条铅垂线上，旋转驱动装置5带动上部的压力室装置1、检测装置2、 加荷与驱动装置3旋转；
[0011]加荷与驱动装置3包括电机、螺纹减速机的轴压加载装置、围压/反压加载、饱和压力加载以及旋转观测驱动单元。压力室顶部、底部分别留有围压、反压、孔隙压及排水气接口，用于联接测试参数控制接口；
[0012]底座4安装在压力室装置1下部；自控系统6包括:数据A/D转换模块、数据存储模块、指令输入模块、控制模块、数据采集分模块。
[0013]本发明的有益效果:将三轴加载装置布置于同步辐射实验站内，并让同步辐射X光通过压力室内的土样，控制压力室内围压恒定，对土样进行逐级轴向加载，在恒定轴压与围压下，持荷并控制压力室绕其圆柱中心轴旋转360度，获得土体内部细观结构的X光断层图像序列，结合各级荷载下土体细观结构定量特征与土样宏观物理、力学特性，用于土体宏_ 细观力学机制研究。本发明旨在解决土工三轴试验中难以无损、实时、定量地表征土体细观结构的不足，以提高表征土体物理、力学特性的能力。采用同步辐射X光源获得X光图像具有很高的空间分辨率，其精度足以辨识土样内部孔隙或颗粒。而普通医用螺旋式X光机精度不足以辨识土样内部孔隙或颗粒，难以观测到土体内部的精细化结构。而本发明通过设计在三轴压力室压力加载过程中，无损地获得试验土样的三维加载条件下细观结构及其变化趋势的定量特征，结合荷载、位移、孔压、孔隙率等宏观物理、力学参数进行相关性分析，可进一步揭不土体受力、变形的内在机制。能够得到良好的实验结果实时、无损、精确。四、【附图说明】
[0014]图1是本发明的结构示意图；
[0015]图2是本发明系统工作原理的流程图；
[0016]图3是本发明自校核控制系统的结构框图；
[0017]图4是使用本发明同步辐射X光源下所获得的土样内部表征单元体三维颗粒结构图与孔隙结构图；其中(a)颗粒结构；(b)孔隙结构。[〇〇18]图5是使用本发明所获得的土样孔隙比-垂直有效应力(e-log p)曲线图。五、具体实施方案
[0019]1.图1所示，本发明使用条件
[0020]本发明需要布置在同步辐射X光源下使用，一般波长小于100埃。同步辐射是速度接近光速的带点粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，同步辐射光源是高能量和高强度光源，同步辐射X光亮度可达到普通医用螺旋式X光机的上亿倍，因此，所获得的X 光图像具有很高的空间分辨率，其精度足以辨识土样内部孔隙或颗粒。而普通医用螺旋式X 光机精度不足以辨识土样内部孔隙或颗粒，难以观测到土体内部的精细化结构。
[0021]同步辐射装置是一种大科学装置及多学科实验平台，它可提供同步辐射X光源，其亮度比普通医用螺旋式X光机高达上亿倍，精度足以精细化地辨识土样内部孔隙或颗粒，因此同步辐射X光可用于对土样细观尺度成像。本发明及其系统布置在实验站内的样品台上。 同步辐射X光透过布置在三轴仪压力室内的土样后，到达放置在试验台上的面探测器，并通过图像控制器(CCD)将信号传送到计算机成像。
[0022]2.结构描述[〇〇23]参见图1，一种用于实时观测土体细观结构的三轴旋转装置，主要由压力室装置1、 检测装置2、加荷与驱动装置3、底座4、旋转驱动装置5及自控系统6共同构成。位移传感器8 装在上部。试样9，轴力传感器10。[〇〇24]压力室装置包括由压力室底板、压力室筒、压力室顶盖等组成密封罩结构，压力室底板通过开槽无头轴位螺钉，定座在旋转连接盘上。试样底座通过螺纹安装在压力室底板上;测试过程中，试样下部隔一透水石装在试样底座上;试样底座中心加工2mm透孔，用于测量孔隙压力或传递饱和压力;试样底座顶部隔一透水石承接轴压加载帽传来的轴向压力， 压力由轴压加载电机7传动至减速机加至加载帽；轴压加载帽中心加工2mm透孔，用于传递反压压力；轴向加载帽顶部接受轴力内传力杆加载的轴向推力和反压压力；轴力内传力杆直接联在轴力传感器的下螺纹孔内；轴力传感器的上螺纹孔联接轴力外传力杆;压力室顶部、底部分别留有围压、反压、孔隙压及排水气接口，用于联接测试参数控制接口。
[0025]检测装置包括轴压、围压、反压、孔隙压/饱和控制压力检测装置和位移检测装置。 其中轴压检测装置包括轴力传感器、轴压内传力杆、轴压加载帽、试样底座等，其相对安装位置如上段压力室结构所述;围压检测装置包括围压检测接口和位于控制箱内的围压检测传感器;反压检测装置包括反压接口和位于控制箱内的反压检测传感器;孔隙压力/饱和控制压力检测装置包含孔隙压力接口和位于控制箱内的孔隙压力检测传感器;位移检测装置包含位移传感器、位移传感器架、位移传感器测量板等，伴随位移传感器板与螺纹减速机丝杠上下移动实现位移量数值测量；
[0026]加荷与驱动装置包括轴压加载、围压/反压加载、孔隙压/饱和压力加载以及旋转观测驱动。轴压加载驱动装置包含轴压加载电机、螺纹减速机等，轴压驱动装置安装在压力室顶部通过加载外联接杆对试样进行加载；围压/反压加载主要是安装在控制箱内的ITV0050电气比例阀，通过电气比例阀开合度的控制实现对围/反的目标控制;饱和加载驱动装置位于控制箱内，包含120ml液压缸、滚珠丝杠和驱动电机等，通过驱动电机驱动滚珠丝杠推动液压缸内的活塞，实现对饱和压力的控制;旋转观测驱动安装于测试系统底座内的旋转电机、电机联轴器、旋转限位开关等部件组成，主要采用控制步进电机的转速、转向， 以实现观测所需的旋转速度。底座及旋转驱动装置中，螺纹减速机的输出丝杠中心线与与轴力外传力杆、轴力内传杆、轴压加载帽、透水石、试样、试样底座位于同一条铅垂线上。 [〇〇27]通过压力源为三轴仪压力室提供恒定围压。
[0028]首先，系统开机后检测装置2进行初始化自检，系统归零复位，系统进入等待试验开始指令状态，然后读取试验指令参数，自控系统6输出驱动电机运行指令。[〇〇29]加荷与驱动装置3获取加载在试样底座4上的压力值并通过转换模块将数据显示在HMI显示上。
[0030]其中轴压检测装置包括轴力传感器、轴压内传力杆、轴压加载帽、试样底座等，其相对安装位置如上段压力室结构所述;围压检测装置包括围压检测接口和位于控制箱内的围压检测传感器;反压检测装置包括反压接口和位于控制箱内的反压检测传感器;孔隙压力/饱和控制压力检测装置包含孔隙压力接口和位于控制箱内的孔隙压力检测传感器;位移检测装置包含位移传感器、位移传感器架、位移传感器测量板等，伴随位移传感器板与螺纹减速机丝杠上下移动实现位移量数值测量；
[0031]通过控制步进电机运转以加大机械加载装置传动比(加大速度)，逐级增大三轴仪轴向压力，同步测读土样位移、孔隙水压力等基本参数。[〇〇32]在恒定围压、轴压与反压下持荷，控制三轴仪压力室绕其圆筒轴心旋转，控制转速不超过12°/sec，且不低于l°/sec，旋转360°后，获得该级荷载下土样内部细观结构的X光断层扫描图像序列。[〇〇33]对所得图像二值化，进行三维重构及数字矩阵运算等操作，精细化分析土样内部三维细观结构。[〇〇34]在各级荷载下，用土样的三维细观结构定量特征结合位移、孔压及孔隙比等宏观参数进行相关性分析，用于土体受力、变形内在机制研究。[〇〇35]3.系统工作流程[〇〇36]系统工作流程如图2所示。
[0037]首先，系统开机后进行初始化自检，系统归零复位，系统进入等待试验开始指令状态，然后读取试验指令参数，输出驱动电机运行指令。轴力传感器获取加载在试样上的压力值;围压传感器、反压传感器、孔隙压力传感器、位移传感器同时获取相应的压力值，并通过转换模块将数据显示在HMI显示上;测试系统获取相应轴压、围压、反压目标值S1、S2、S3，比较各传感器的现时值与各自目标值，反馈两者偏差值Sf 427 437 ;将两者偏差值Sf 427、 S3'与系统预设定的允差标准值进行比较；[〇〇38]判断比较结果，如果符合 < 标准允差试验继续进行，并向HMI显示输出数据;如果不符合<标准允差显示，系统进入修正校核，首先检测传感器状态，判断传感器的工作状态，若传感器状态异常，校正传感器，读取校正后的传感器读数，再次进行误差比较，最终比较结果，符合 < 标准允差，试验继续进行，并向HMI显示输出数据。[〇〇39]4.系统控制流程
[0040]如图3所示，控制系统包括A/D数据转换模块、指令输入模块、数据存储模块、采集控制模块(包括数据采集分模块、计算对比分模块、追踪执行分模块)HMI显示输出模块和2 驱动电机执行模块六部分。采集控制模块中的三个分模块又分别有:轴力数据采集单元、压力数据采集单元、位移数据采集单元、步进电机运转数据采集单元，轴力/饱和对比单元、压力数据对比单元、电机/比例阀数据对比单元、轴力/饱和执行单元、压力追踪执行单元。
[0041]在试验开始后，轴压驱动电机依据试验指令通过螺纹减速机的输出螺纹丝杠向试样施压。轴向加载传力杆向轴力传感器发出轴压变化信号，轴传感器和压力传感器将采集到的轴力模拟信号和压力模拟信号输送到A/D数据转换模块，A/D数据转换模块将模拟信号转换成位移数字数据和压力数字数据传送给采集控制模块。[〇〇42]采集控制模块同时依据轴力传感器获得的数据换算成轴向压力与目标轴压S1进行对比，计算其差S1'，再将S1'与实验规定的允差值进行对比。若在允差范围内，驱动系统不启动，若超出允差范围，则驱动系统启动:一种情况是传感器获得的数据小于目标值，轴压驱动装置启动加载，直到传感器数据符合允差要求；另一种情况是传感器获得的数据大于目标值，轴压驱动装置启动卸载，直到传感器数据符合允差要求。
[0043]采集控制模块中的数据采集分模块，其中的轴力数据采集单元采集并记录A/D数据转换模块送来的轴力数字数据，储存并备用;其中的压力数据采集单元同步采集围压、反压、孔隙/饱和压力送来的压力数据，储存并备用，同时将轴力和压力数字数据输送给HMI输出并显示;其中的位移数据采集单元采集并记录A/D数据转换模块送来的位移数字数据，储存并备用；步进电机运转数据采集单元同步采集系统下达给步进电机的运转状态数据，储存并备用。数据采集分模块分别将轴力数据采集单元、压力数据采集单元、步进电机运转数据采集单元采集的信号数据和各自的目标值送给计算对比分模块进行比较。
[0044]计算对比分模块即时将数据采集分模块送来的数据分配给轴力/饱和对比单元、 压力数据对比单元，计算轴力传感器实时数据与目标轴压差S1'、计算围压、反压、饱和传感器实时数据与目标值得差值S2'、S3'、S4'。计算对比分模块将比较结果偏差值S'(包括S1'、 S2' A3'和Sf )与系统预设定的允差标准值(GB/T 24107.2规定，如51^&)进行比较:当结果为“Y”，即偏差值彡允差标准值(GB/T 24107.2规定，如5kPa)时，试验继续进行，采集控制模块向HMI输出传送信号并显示；当结果为“N”，即偏差值>允差标准值(GB/T 24107.2规定， 如5kPa)时，试验进入追踪执行分模块。[〇〇45]追踪执行分模块首先执行位移传感器状态校核单元，当传感器状态异常时，校正传感器状态，传感器状态校正后，实时检查校正电机/比例阀所输入的压力数据，并获得新的Sf、S2'、S3'、Sf。继续将新Sf、S2'、S3'、Sf，与标准允差(GB/T 24107.2规定如5kPa) 进行比较，当结果为“Y”，即偏差值<允差标准值时，试验继续进行，并向HMI传送显示信号； 当结果为“N”，即偏差值仍然>允差标准值(GB/T 24107.2规定如5kPa)时，继续校正直到符合允差要求。
[0046]5.细观尺度观测结果
[0047]如图4所示，使用本系统可获得细观尺度下的土体颗粒与孔隙的细观结构图。[〇〇48]6.宏观尺度观测结果
[0049]如图5所示，使用本系统可获得宏观尺度下土体的孔隙比-垂直有效应力(e-logp) 曲线图。
【主权项】
1.土体同步辐射X光旋转三轴实时观测方法，其特征是通过压力源为三轴仪压力室提 供恒定围压并施加在压力室内土体上;三轴仪压力室内土体布置在同步辐射X光源下，三轴 仪压力室是通过控制步进电机运转以加大或减少机械加载装置传动比，逐级增大或减少三 轴仪压力室的轴向压力、给土体提供恒定围压的不同荷载，三轴仪压力室绕压力室圆筒轴 心旋转，同步辐射X光源实时无损地观测土体三维细观结构，获得不同荷载作用下土样内部 细观结构的X光断层序列照片。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是同步测读土体中土样颗粒位移、孔隙压力、孔 隙比等基本物理、力学参数。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是在恒定围压、三轴仪轴向压力与反压下持 荷，控制三轴仪压力室绕压力室圆筒轴心旋转，控制转速不超过12°/sec，且不低于1°/sec， 旋转360°后，获得该级荷载下土样内部细观结构的X光断层扫描图像序列。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是对所得X光断层扫描图像二值化，进行三维重 构及数字矩阵运算等操作，精细化分析土样内部三维细观结构。5.根据权利要求3所述的方法，其特征是将三轴仪压力室样品系统置于同步辐射实验 站中，使同步辐射X光对辐照场内三轴仪压力室内的土样，控制系统对试样加载，获得各级 荷载作用下土样内部细观结构的断层扫描图像序列，进一步结合位移、孔压及孔隙比等宏 观参数进行相关性分析，用于土体受力、变形机制。6.—种用于实时观测土体细观结构的三轴旋转装置，其特征是包括压力室装置(1)、检 测装置(2)、加荷与驱动装置(3)、底座(4)、旋转驱动装置(5)及自控系统(6);检测装置包 括:围压检测接口和连接自控系统的围压检测传感器;反压接口和连接自控系统的反压检 测传感器;孔隙压力接口和连接自控系统的孔隙压力检测传感器;位移传感器和位移传感 器测量板装在位移传感器架上，伴随位移传感器板与螺纹减速机丝杠上下移动实现位移量 数值测量;压力室装置1的上螺纹孔连接轴力外传力杆及轴压加载帽;轴压驱动装置安装在 压力室装置的顶部并通过加载外联接杆对压力室装置内试样进行加载，围压/反压加载是 安装在自控系统的ITV0050电气比例阀，通过电气比例阀开合度的控制实现对围压/反压加 载压力的目标控制;旋转驱动装置包括安装于底座内的步进电机、电机联轴器、旋转限位开 关部件，采用控制步进电机的转速、转向，以实现观测所需的旋转速度，旋转驱动装置(5)安 装在底座(4)内，旋转驱动装置的螺纹减速机的输出丝杠中心线与轴力外传力杆、轴压加载 帽、透水石、试样、试样底座位于同一条铅垂线上，旋转驱动装置带动上部的压力室装置、检 测装置、加荷与驱动装置旋转；加荷与驱动装置包括电机、螺纹减速机的轴压加载装置、围压/反压加载、饱和压力加 载以及旋转观测驱动单元;压力室顶部、底部分别留有围压、反压、孔隙压及排水气接口，用 于联接测试参数控制接口；底座安装在压力室装置下部。
【文档编号】G01N23/04GK105973702SQ201610279783
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张巍, 金焕程, 唐心煜, 肖瑞, 徐炎达, 梁小龙
【申请人】南京大学（苏州）高新技术研究院, 南京大学